5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Definisi Fluida

Mekanika fluida berhubungan dengan perilaku fluida pada keadan diam dan

bergerak. Pada logikanya, fluida merupakan substansi yang terdeformasi secara

berkelanjutan yang diakibatkan oleh adanya tegangan geser walaupun seberapa kecilnya

nilai dari tegangan geser tersebut. Fluida terdiri dari fasa cair, gas dan padat. Perbedaan

antara fluida cair dengan fluida padat sangat jelas yakni jika dibandingkan reaksi fisik

dari keduanya. Fluida padat memiliki keterbatasan reaksi deformasi ketika menerima

gaya geser, yakni deformasi tidak akan berkelanjutan seiring perubahan terhadap

waktu.[1]

Gambar 2.1 Perbedaan antara zat padat dengan fluida, pada kondisi tegangan geser

konstan.[1]

Pada Gambar 2.1(a) diatas dijelaskan bahwa reaksi fluida padat tidak akan

berkelanjutan seiring perubahan waktu, karena zat padat memiliki batas keelastisan dari

suatu benda. Lain halnya pada Gambar 2.1(b), saat fluida cair diberi gaya, maka elemen

dari fluida tersebut terdeformasi berkelanjutan lalu meningkat sejauh gaya, F yang

diaplikasikan dan fluida cair pun terdeformasi akibat tegangan geser seiring perubahan

waktu, t. Untuk t0, t1 dan t2 merupakan perubahan dari deformasi fluida akibat adanya

gaya, F yang menyebabkan tegangan geser pada fluida dan dinding.[1]

6

2.2. Aliran Satu Fasa Tak Mampu Mampat

Aliran satu fasa merupakan aliran yang terdiri dari satu jenis aliran cair ataupun

gas tanpa partikel padat. Sedangkan untuk aliran multifasa merupakan aliran yang

terdiri dari dua fasa atau lebih dari suatu zat, seperti cair dan padat, gas dan padat, gas

dan cair maupun dua jenis zat yang berbeda lainnya.

Aliran dikatakan tak mampu mampat atau yang biasa disebut incompressible flow,

jika dalam aliran massa jenis fluida yakni konstan tidak berubah. Aliran dikatakan

sejenis (homogeneous) yakni bila massa jenis tetap sepanjang aliran. Aliran tak mampu

mampat satu fasa ini termasuk kedalam aliran yang sejenis. Sebagai contoh, pada kasus

aliran air dengan membawa kerikil atau partikel sedimentasi, massa jenisnya tidak sama

dimanapun sesuai perubahan terhadap waktu.

Dalam kondisi normal, cairan dan gas diperlakukan sebagai aliran tak mampu

mampat. Namun, ketika kecepatan gas mendekati, sama atau melebihi kecepatan suara,

massa jenis akan mengalami perubahan dan aliran tidak dapat dikatakan aliran tak

mampu mampat. Sama halnya pada aliran gas dalam sistem pipa yang panjang, massa

jenis gas akan mengalami perubahan akibat perubahan tekanan walaupun dalam

kecepatan yang rendah. Oleh karena itu, tidak semua sistem pipa gas dapat dianggap

sebagai aliran tak mampu mampat meskipun dalam kecepatan yang rendah.[2]

Dari ilmu mekanika fluida, tegangan geser pada aliran laminer dua dimensi arah

x yang ditunjukkan pada Persamaan 2.1 adalah

dy

du ................................................................. 2.1

Dimana τ adalah tegangan geser; u adalah kecepatan pada jarak y dari dinding; du/dy

adalah distribusi kecepatan u yang bekerja pada bidang tegak lurus sumbu y; dan μ

adalah viskositas dinamik. Persamaan 2.1 dikenal dengan hukum viskositas Newton.

7

Gambar 2.2 Variasi kecepatan dari dinding dan tegangan geser [2]

Dari Gambar 2.2 diatas, menunjukkan fenomena aliran fluida yang terdeformasi

pada dinding akibat viskositas fluida yang mengakibatkan tegangan geser sehingga

terjadinya variasi kecepatan pada fluida.

Gambar 2.3 Grafik fluida Newtonian dan non-Newtonian [2]

Dari Gambar 2.3 diatas, grafik tersebut merupakan grafik Rheogram, yakni grafik

yang menunjukkan hubungan antara fluida Newtonian dan non-Newtonian. Fluida yang

sering dijumpai seperti air, udara, bahan bakar ialah Newtonian dibawah kondisi normal, fluida

dimana tegangan gesernya tidak linier dengan laju deformasinya ialah Non-Newtonian.

Pada umumnya, fluida Newtonian adalah murni cairan atau gas murni, sedangkan

fluida non-Newtonian adalah cairan yang mengandung konsentrasi yang besar dari

partikel halus padatan atau cairan campuran lainnya. Karena partikel-partikel di fluida

8

non-Newtonian sangat kecil dan seragam yang didistribusikan dalam cairan, campuran

dianggap satu. Ketika partikel besar, mereka dapat menetap keluar dengan mudah dan

aliran ini dianggap sebagai aliran multifasa atau fluida non-Newtonian.[2]

2.3. Regim Aliran

Jenis aliran yang mengalir di dalam pipa, ditentukan oleh seberapa besarnya

Bilangan Reynolds yang didapat. Bilangan Reynolds dinyatakan dalam Persamaan 2.2

dibawah ini :

Re =𝜌𝑉d

𝜇=

𝑉d

𝑣……………………………………. 2.2

Dimana :

Re = bilangan Reynolds

𝜌 = massa jenis fluida

𝜇 = viskositas dinamik

𝑣 = viskositas kinematik

𝑉 = kecepatan aliran dalam pipa

d = diameter dalam pipa

Jenis aliran dalam pipa dinyatakan laminar, jika nilai bilangan Re < 2300, aliran

yang ada di dalam pipa cenderung memiliki laju aliran yang rendah. Saat laju aliran

meningkat melewati silinder, maka partikel yang ada di dalam aliran tersebut menjadi

tidak stabil dan bergerak secara acak, fenomena seperti ini dinyatakan jenis aliran yang

turbulen, dengan nilai bilangan Re > 4000. Saat kondisi dibawah normal, aliran transisi

atau peralihan dari laminar menjadi turbulen terjadi saat Re ≈ 2300 pada aliran di dalam

pipa.[1]

9

2.4. Aliran Satu Dimensi

2.4.1 Persamaan Kontinuitas

Persamaan kontinuitas untuk aliran tak mampu mampat yang melewati pipa ialah :

𝑉1A1 = 𝑉2A2 = Q = konstan………………………………. 2.3

Dimana A1 dan A2 adalah area pipa yang dilalui pada titik 1 dan 2; V1 dan V2 ialah

kecepatan rata-rata aliran pada titik 1 dan 2; dan Q adalah laju aliran volumetris.

Persamaan ini juga berlaku untuk kasus aliran tidak tunak yang melewati pipa. Bahkan

jika aliran fluida non-Newtonian atau multifasa, persamaan ini masih dapat digunakan

selama nilai kecepatannya ialah kecepatan rata-rata sepanjang pipa dan alirannya tak

mampu mampat. Persamaan ini tidak dapat dipakai jika analisa saat fluida memasuki

atau meninggalkan pipa diantara titik 1 dan 2 ataupun ada percabangan pada pipa

diantara dua titik tersebut.[2]

Dari karakteristik fluida yang dialirkan, dapat diketahui kecepatan rata-rata dari

fluida sepanjang pipa. Untuk fluida jenis minyak, kecepatan yang direkomendasikan

ialah sebesar 2 – 10 ft/s (1 – 3 m/s). kecepatan yang digunakan pada aliran, harus dalam

batas maksimal dan minimal dari kecepatan yang direkomendasikan. Karena saat aliran

fluida berada di bawah batas minimal, maka fluida akan mengendap, yang akan

mempengaruhi kerja pompa menjadi sangat besar. Dan jika fluida diatas batas

maksimal, maka akan terjadi pengikisan pada dinding dan getaran akibat gaya gesek

yang besar.[3]

Karena penampang pipa berbentuk lingkaran, maka rumus luas penampang pipa

dinyatakan dalam persamaan 2.4 berikut :

A = 𝜋𝑑2

4…………………………………… 2.4

Sehingga,

Q =𝜋𝑑2

4 .𝑉……………………...…………... 2.5

10

𝑑 = 4𝑄

𝜋𝑉…………………………………… 2.6

Dimana :

𝑑 = diameter dalam pipa

Dari diameter dalam pipa yang didapat tersebut, kita dapat memperkirakan besarnya

NPS (Nominal Pipe Size) atau DN (Diameter Nominal) berdasarkan pada lampiran.

2.4.2 Persamaan Energi

Persamaan energi untuk aliran tak mampu mampat dapat dituliskan pada

Persamaan 2.7 berikut :

𝛼1𝑉1

2

2𝑔+

𝑝1

𝛾+ 𝑧1 = 𝛼2

𝑉22

2𝑔+

𝑝2

𝛾+ 𝑧2 + 𝑕𝐿 + 𝑕𝑡 − 𝑕𝑝…………… 2.7

Dimana titik 1 dan 2 ialah titik masuk dan keluar; P ialah tekanan rata-rata ; z

ialah ketinggian rata-rata; g adalah percepatan gravitasi; γ adalah berat jenis fluida; α

adalah faktor koreksi energi; hL adalah headloss sepanjang pipa; ht adalah head turbin;

dan hp adalah head pompa. Untuk aliran pipa laminer berkembang penuh, harga α = 2,0

dan untuk aliran turbulen berkembang penuh harga α sekitar 1,05.

Jika harga ht dihilangkan dengan asumsi tidak ada turbin pada pipa. Dan nilai α1

dan α2 diasumsikan sebagai untuk aliran pada turbulen, maka Persamaan 2.7 menjadi:[2]

𝑉12

2𝑔+

𝑝1

𝛾+ 𝑧1 =

𝑉22

2𝑔+

𝑝2

𝛾+ 𝑧2 + 𝑕𝐿 − 𝑕𝑝 ………………… 2.8

Ketika disebutkan head pada fluida untuk mengindikasikan sistem energi, ada tiga

komponen yang diperhitungkan yaitu head elevasi, hs, head kecepatan hv, dan head

gesek hL seperti yang dibahas pada Persamaan Bernoulli di atas. Nilai dari head tekanan

dapat dihilangkan pada sistem pipa ketika diasumsikan tekanan statik pada titik masuk

dan titik keluar ialah sama.

11

Head ketinggian ialah perbedaan ketinggian antara sisi masuk dan sisi keluar pada

sistem. Head kecepatan pada sistem pipa panjang atau pada umumnya sistem yang

memiliki kerugian yang besar ialah persentase yang kecil dari head total atau juga dapat

diasumsikan untuk nilainya tidak berpengaruh pada perhitungan energi. Karena nilai

head ini berfungsi sebagai energi yang harus dimiliki oleh aliran agar tetap dapat

mengalir sampai ujung pipa. Head gesek ialah efek yang dominan pada sistem pipa

fluida cair yang dapat dihitung pada subbagian berikutnya.[3]

2.4.3 Kerugian-Kerugian Head (Head Loss)

Headloss, hL pada Persamaan 2.8 terbagi menjadi dua yaitu kerugian yang

terdistribusi seragam sepanjang pipa disebut major loss dan kerugian akibat adanya

intrumen tambahan pada instalasi pipa itu sendiri yang disebut minor loss. Pada pipa

berukuran pendek biasanya terdapat banyak ragam instalasi yang mengganggu aliran

sehingga mengakibatkan kerugian, sebagai contoh adanya katup dan belokan pada pipa,

oleh sebab itu minor loss nilainya bisa lebih besar dibandingkan major loss. Ketika

katup tertutup, ataupun peralatan pendukung lainnya tersebut menimbulkan kerugian

yang besar terhadap aliran. Oleh karena itu, major loss bisa diperhitungkan sebagai

kerugian pipa, sedangkan minor loss merupakan kerugian akibat peralatan-peralatan

lokal.[2]

2.4.3.1 Minor Loss

Minor loss secara sederhana dapat dihitung dari persamaan 2.9 dibawah ini :

𝑕𝐿 = 𝐾𝑉2

2𝑔………………..……………………. 2.9

Dimana nilai K merupakan konstanta kerugian lokal, yang diperhitungkan konstan

pada setiap peralatan selama aliran tersebut ialah turbulen. Pada tabel-tabel di dalam

lampiran ditunjukkan harga-harga K pada beberapa peralatan yang berbeda-beda. Nilai

koefisien peralatan tersebut tidak hanya bergantung pada jenisnya, tetapi terhadap

diameter pipa, tebal dinding, jenis sambungan pipa, dan detail desain.[2]

12

2.4.3.2 Major Loss

Persamaan yang paling rasional untuk menghitung kerugian pada pipa untuk kasus

aliran fluida Newtonian tak mampu mampat satu fasa ialah persamaan Darcy-Weisbach

sebagai berikut :

𝑕𝐿 = 𝑓𝐿

𝑑

𝑉2

2𝑔……………………………………. 2.10

Dimana L adalah panjang pipa keseluruhan, d ialah diameter dalam pipa, dan

harga f dikenal sebagai faktor gesek atau faktor tahanan. Pada aliran laminar, nilai

faktor gesek tidak bergantung pada kekasaran dinding pipa. Faktor gesek hanya fungsi

dari bilangan Reynold.

𝑓 =64

𝑅𝑒 …………………………………… 2.11

Pada aliran turbulen, faktor gesek merupakan fungsi dari bilangan Reynold dan

kekasaran relatif e/D, dimana e ialah kekasaran absolut dari permukaan pipa. Untuk

beberapa material pipa nilai e/D sudah ditetapkan pada Tabel 2.1 dapat dilihat nilai

yang biasa digunakan pada beberapa material. [1]

Tabel 2.1 Kekasaran pipa [2]

Material e, mm e, ft

Riveted Steel 0,9 – 9,0 0,003 – 0,03

Concrete 0,30 – 3,0 0,001 – 0,01

Wood Stave 0,18 – 0,9 0,0006 – 0,003

Cast Iron 0,25 0,00085

Galvanized Iron 0,15 0,0005

Commercial or Welded Steel 0,046 0,00015

Drawn Tubings 0,0015 0,00006

13

Sedangkan nilai faktor gesek dapat dilihat di diagram Moody pada Gambar 2.4.

Pada diagram Moody dapat kita lihat beberapa zona yang menandai berbagai jenis aliran

pipa.

Gambar 2.4 Diagram Moody. [2]

Persamaan Darcy-Weisbach ini merupakan yang terakurat dan ilmiah dalam

menentukan kerugian pada pipa untuk kasus aliran fluida Newtonian tak mampu

mampat seperti air, limbah, minyak mentah, dan zat cair lainnya. Dan peramaan ini

masih bisa diaplikasikan pada aliran gas dengan kecepatan rendah pada pipa yang

pendek tanpa perubahan massa jenis gas yang signifikan.

Kerugian total merupakan penjumlahan dari semua kerugian-kerugian Minor dan

kerugian Major. Seperti yang ditunjukkan pada persamaan 2.12 berikut ini : [2]

𝑕𝐿 = 𝐾𝑉2

2𝑔+ 𝑓

𝐿

𝑑

𝑉2

2𝑔= 𝐾 + 𝑓

𝐿

𝑑 𝑉2

2𝑔…………………… 2.12

14

2.5. Sistem Pipeline

Pipa didefinisikan sebagai suatu batang silinder yang memiliki rongga yang

berfungsi untuk tempat dialirkannya fluida dari suatu titik ke beberapa titik lainnya.

Fluida yang mengalir pada pipa bermacam – macam jenisnya, mulai dari liquid, gas,

dan juga solid. Mengingat pentingnya fungsi pipa dalam kehidupan sehari-hari, maka

dibuatlah suatu sistem dengan beberapa rangkaian pipa yang mengalirkan suatu fluida

tanpa mengalami kebocoran dalam jarak yang sangat jauh dan panjang, yang biasa

disebut dengan sistem pipeline.

Dalam kenyataannya, sering kali tertukar pendefinisian antara pipeline dengan

piping. Perbedaan antara keduanya yakni, jika pipeline mengalirkan fluida dengan jarak

yang sangat jauh dan fungsinya cenderung ke arah transmisi dan pendistribusian suatu

fluida. Sementara piping itu sendiri, terbatas beroperasi pada suatu plant tertentu saja

dan jaraknya relatif lebih pendek dibandingkan dengan pipeline.[4]

Dari segi lokasi penempatan pipa, sistem pipeline dibagi menjadi dua jenis,

yakni :

1. Onshore Pipeline

Sistem perpipaan yang menditribusikan fluida dengan daerah kerjanya di

daratan.

2. Offshore Pipeline

Sistem perpipaan yang menditribusikan fluida dengan daerah kerjanya di lepas

pantai atau di dalam lautan.

2.5.1. Sistem Pipeline untuk Fluida Minyak

Pada desain sistem transportasi minyak, dalam menentukan sistem pipa yang baik

memerlukan pertimbangan dari berbagai aspek yang menyangkut desain, operasi dan

juga ekonomi untuk mengangkut suatu komoditas dari sumber ke tujuan.

Dalam bidang keteknikkan, ada tiga aspek desain yang menyangkut sistem pipa,

yakni :

a) Desain hidrolik

b) Desain mekanik

c) Desain operasi dan perawatan.

15

Untuk analisis perancangan sistem ini, penulis membatasi sampai pada aspek

desain hidroliknya saja. Desain hidrolik merupakan suatu proses mengevaluasi

karakteristik fisik dari komoditas yang akan didistribusikan, kuantitasnya yang akan

dialirkan, pemilihan rute dan topografi, mengidentifikasi jumlah pompa yang

digunakan pada sistem dan juga letak stasiun pompa berdasarkan karakteristik

hidroliknya.[3]

2.5.2. Pemilihan Rute

Pemilihan rute merupakan faktor yang cukup penting dalam proses mendesain

jalur pipa, karena dari pemilihan rute ini dapat menentukan efektifitas pengaliran

sehingga analisis perancangan ini menjadi optimum. Dan dari pemilihan rute juga dapat

memperhitungkan daerah yang dapat dilewati maupun tidak dapat dilewati oleh pipa.

Secara logika, dalam pemilihan rute diambil jarak terpendek atau garis lurus agar

lebih efisien dalam segi pendistribusiannya. Namun ada beberapa faktor yang harus

dipertimbangkan dalam pemilihan rute itu sendiri, yakni :

1. Jarak

Dengan meminimalisasi jarak total yang dilalui pipa, akan berpengaruh terhadap

faktor ekonomis, sehingga biaya produksi dan instalasi akan jauh lebih murah.

2. Elevasi (Topografi area)

Penentuan elevasi dari daerah yang dilalui pipa diambil serendah mungkin, untuk

menjaga kondisi dari pompa yang digunakan. semakin tinggi elevasi yang dilalui,

maka kerja pompa akan lebih berat.

3. Lokasi

Untuk lokasi, diusahakan untuk tempat yang mudah dijangkau dan strategis, agar

dalam proses perawatannya nanti, tidak sulit menmpuh medan yang dilalui.

4. Keamanan

Faktor keamanan juga sangat penting untuk diperhatikan, untuk menghindari

kegagalan pipa yang dapat merusak lingkungan dan menghindari adanya oknum

yang memanfaatkan pipa yang dipasang, sehingga akan merugikan perusahaan.

Dan juga dalam hal perizinan area, agar tidak mengganggu pemukiman penduduk

dan merugikan lingkungan sekitar.

16

2.5.3. Basis Desain

Tahap awal perencanaan dibutuhkan dasar desain. Parameter umum yang

dibutuhkan diantaranya:

Parameter sistem. Ada beberapa parameter yang ditentukan dari perusahaan

yang dapat membantu menentukan laju aliran untuk sistem. Desain laju aliran sistem

mungkin saja berubah-ubah tiap tahunnya dan dinyatakan sebagai laju aliran per hari

dalam barrel per day (BPD) atau 1000 m3

per calender day (1000 m3/cd) atau million

tonnes per annum (MTA). Ratio antara laju aliran per calender day dengan operasi per

hari disebut faktor beban (load factor).

Faktor beban =laju kebutuhan per hari

laju operasi per hari ……………………… 2.13

Pada sistem pipa yang baik memiliki faktor beban antara 92 sampai 95 persen.

Sedangkan sistem pipa yang memiliki variasi aliran memiliki faktor beban yang lebih

rendah, 85 sampai 90 persen.

Parameter lingkungan. Parameter kritis lingkungan untuk desain hidrolik ialah

temperatur ambient tanah untuk pipa bawah tanah, dan udara untuk pipa diletakkan di

atas tanah.

Sifat-sifat komoditas. Spesifikasi dari komoditas yang ditransportasikan

termasuk identifikasi dari viskositas, densitas, tekanan vapor, dan temperatur tertentu.[2]

2.5.4. Sistem Isothermal

Sistem pipa minyak khususnya mempunyai variasi temperatur pada keseluruhan

sistemnya. Hal ini yang akan mempengaruhi viskositas dan efek desain lainnya. Untuk

mempermudah perhitungan, maka temperatur diasumsikan konstan di sepanjang pipa

berdasarkan karakteristik fluida dan kondisi lingkungannya.

Temperatur desain untuk rata-rata operasi berbeda dengan pengukuran standar

yang menyangkut desain kasar. Sebagai konsekuensi, diperlukan penyesuaian dari nilai-

nilai yang diberikan pada kondisi standar @ 60°F (15°C) terhadap kondisi operasi [2]

17

2.5.5. Sistem Energi

Sistem energi yang digunakan dalam pembahasan ini ialah head, H, dan tekanan,

P. Penurunan tekanan total sepanjang pipa terdiri dari penurunan tekanan statik,

penurunan tekanan percepatan dan penurunan tekanan gesek. Sama halnya pada head

ada tiga komponen yaitu head statik atau elevasi, head kecepatan, dan head gesekan.[2]

2.6. Kode Standar Perancangan

Kode standar perancangan digunakan untuk mengetahui batasan dan mendapatkan

kepastian, agar sistem yang dirancang berjalan dengan aman, tanpa membahayakan

lingkungan sekitar. Untuk analisis perancangan sistem pipa bawah tanah ini, dapat

menggunakan aturan-aturan yang terdapat dalam kode standar perancangan sistem pipa

yang sudah ada yakni :

ASME B31.4 Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbonsand

Other Liquids

ASME B16.5 Pipe Flanges and Flanged Fittings

API 5L Specification for Line Pipe

API RP 1102 Steel Pipelines Crossing Railroads and Highways

2.7. Maximum Allowable Operating Pressure (MAOP)

MAOP atau tekanan maksimum operasi yang diijinkan dapat ditentukan dari

tebal dinding pada pipa yang dijelaskan dalam diagram benda bebas pipa pada Gambar

2.5 di bawah ini.

Gambar 2.5 Diagram benda bebas silinder. [3]

18

Dari Gambar 2.5 di atas dapat kita jelaskan dan diperoleh kesetimbangan gayanya yaitu

𝐹𝑦 = 0

−𝜍𝐻 𝑡𝑥𝑙 + 𝑝 𝐷𝑥𝑙 = 0

𝜍𝐻 = 𝑆𝐴 =𝑝𝑥𝐷

2𝑥𝑡 .................................................. 2.14

Keterangan :

Dxl = luas proyeksi silinder

txl = luas dinding silinder

Sehingga diperoleh persamaan berikut dalam satuan SI, untuk menghitung MAOP atau

tekanan maksimum operasi yang diizinkan pada pipa.

𝑃𝑖 =2 𝑥 𝑆𝐴 𝑥 𝑡

𝐷……………..…………………… 2.15

Dimana, Pi merupakan tekanan internal gauge maksimum yang diizinkan atau

nilai MAOP itu sendiri dalam satuan MPa, kemudian D adalah diameter luar dari pipa

dalam satuan mm, SA adalah tegangan izin dalam MPa, dan t adalah tebal dinding pipa

dalam satuan mm.

Tebal dinding, t untuk menghitung nilai MAOP, yang sudah termasuk kedalam

nilai penambahan tebal untuk toleransi terhadap korosi atau beban terkonsentrasi,

ekspansi panas atau kontraksi dan lengkungan.[3]

2.8. Maximum Allowable Operating Head (MAOH)

MAOH merupakan head maksimum operasi yang diizinkan yang diperoleh dari

nilai MAOP dalam satuan tekanan yang dikonversi menjadi head dengan satuan meter.

MAOH digunakan untuk menentukan lokasi dari stasiun pompa pada pembahasan

berikutnya. Nilai MAOH dapat dilihat pada persamaan berikut :

19

𝑀𝐴𝑂𝐻 = 𝑃𝑖

𝛾…………………………………… 2.16

Dimana :

Pi (MAOP) : tekanan internal gauge maksimum yang diizinkan (MPa)

γ : berat jenis dari fluida yang dialirkan (N/m3)

2.9. Gradien Hidrolik

Gradien hidrolik ialah suatu profil yang menunjukkan nilai head statik disetiap

titik pada sistem pipa yang merujuk kepada data elevasi terhadap permukaan air laut.

Profil elevasi tanah ditunjukkan pada profil rute atau jalur. Energi tambahan yang

melewati pompa di plot diatas profil elevasi. Kerugian gesek ditunjukkan secara grafik.

Untuk sistem dengan parameter konstan, gradien hidrolik akan membentuk suatu garis

lurus dengan kemiringan yang sama dengan akibat kerugian gesek per satuan panjang,

hf, untuk laju aliran spesifik. Maka dari itu, tekanan aktual pada setiap titik ialah

perbedaan antara gradien hidrolik dan elevasi tanah.

Gradien hidrolik merupakan nilai head yang harus tersedia sepanjang pipa pada

aliran sehingga tidak boleh kurang dari profil elevasi tanah pada pipa. Oleh karena itu,

ketika gradien hidroliknya memotong profil elevasi tanah maka di titik tersebut

dibutuhkan stasiun pompa.

Pada gambar 2.6 di bawah ini diilustrasikan contoh metode grafik untuk

menentukan jumlah dan lokasi stasiun pompa dari pipa NPS 20 (DN 500). Dimulai dari

elevasi awal, lalu menggambar gradien hidrolik ke setiap bagian MAOH pipa yang

diplot di atas profil elevasi. Elevasi gradien hidrolik terhadap stasiun di plot di atas

elevasi tanah dengan perbandingan terhadap kerugian-kerugian pada sistem per satuan

jarak. [3]

20

Gambar 2.6 Contoh gradien hidrolik dari pipa DN 500, 30.000 m3/d.

[3]

2.10. Pemilihan Pompa

Dalam memilih suatu pompa untuk suatu maksud tertentu, terlebih dahulu harus

diketahui kapasitas aliran serta head yang diperlukan untuk mengalirkan zat cair yang

akan dipompa.[5]

Sangatlah penting dalam menentukan jenis pompa untuk mengetahui berbagai hal

yang diperlukan dalam proyek, seperti zat cair yang akan ditransmisikan, sistem pipa

yang dipakai, temperatur zat cair, iklim atau cuaca sepanjang jalur pipa, dan derajat

performansi serta faktor keamanannya.[2]

Apabila perubahan kondisi operasi sangat besar (khususnya perubahan kapasitas

dan head) maka putaran dan ukuran pompa harus ditentukan dengan memperhitungkan

hal tersebut. Basis pemilihan pompa untuk ukuran dan tipenya pada tiap stasiun dapat

ditentukan dengan sistem kurva resistansi karakteristik operasi atau performansi dan

21

kurva kerugian head pada sistem. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7 di bawah

ini.[3]

Gambar 2.7 Kurva H-Q untuk sistem pipa dan pompa sentrifugal. [2]

2.10.1. Spesifikasi Pompa

Kapasitas aliran adalah jumlah kebutuhan aliran yang akan dipompakan.

Kapasitas ditentukan menurut kebutuhan pemakaiannya. Instalasi pompa berpengaruh

terhadap head total pompa. Head total pompa yang harus disediakan untuk mengalirkan

jumlah zat cair, dapat ditentukan dari kondisi instalasi yang akan dilayani oleh pompa.

Jenis dan sifat dari zat cair yang akan dipompa seperti berat jenis, viskositas kinematik,

temperatur, dan tekanan uap air untuk berbagai kondisi temperatur fluida. [5]

Kebutuhan daya pompa untuk seluruh sistem dapat diperhitungkan dengan energi

yang diterima oleh fluida dari pompa per satuan waktu atau disebut daya air, sebagai

berikut

𝑃𝑕 = 𝑄 𝑥 𝐻𝑝 𝑥 𝜌 𝑥 𝑔…………………………….2.17

Dimana Q, merupakan kapasitas aliran dalam m3/s, Hp, ialah head total pompa,

dan , ialah densitas atau kerapatan jenis fluida dalam kg/m3.

Kemudian daya poros, P, ialah daya yang diperlukan untuk menggerakkan sebuah

pompa adalah sama dengan daya air ditambah kerugian daya di dalam pompa. Daya ini

dapat dinyatakan sebagai berikut :

22

𝑃 =𝑃𝑕

𝜂……………………………………..2.18

Dimana P, ialah daya poros pompa dalam Watt, dan , ialah efisiensi pompa

(pecahan). [5]

Efisiensi pompa dalam persen untuk pompa sentrifugal berkisar 70-80 persen dan

sampai 90 persen untuk pompa reciprocating. [3]

2.10.2. Stasiun Pompa

Jenis pompa untuk fluida minyak biasa digunakan jenis pompa sentrifugal atau

jenis lain tergantung pada head (penurunan tekanan). Untuk sistem dengan head yang

besar (pipa panjang atau head statis besar), biasa digunakan pompa positive

displacement. Untuk nilai head medium, pompa sentrifugal sangat cocok. Untuk head

rendah, pompa aliran aksial seperti pompa propeller baik digunakan. Secara kasar,

perbedaan nilai head 1000 ft di atas permukaan air tergolong besar, nilai head antara 10

sampai 1000 ft tergolong medium, dan di bawah 10 ft tergolong rendah.[2]

Kalkulasi total dari head pada sistem berdasarkan laju aliran yang melewati pipa

dengan diameter yang telah ditentukan akan menentukan pompa yang dibutuhkan dalam

sistem. Analisa yang dilakukan ialah metode penentuan jumlah stasiun pompa dan

lokasi stasiun pompa dengan metode grafik dan keseimbangan hidrolik.[3]

Jumlah stasiun pompa dapat dihitung dengan membagi total head pada sistem,

dimana merupakan jumlah dari head statik dan head gesekan dengan tekanan atau head

operasi maksimum yang diijinkan. Sebagai contoh pada persamaan berikut[3]

:

𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎𝑕 𝑆𝑡𝑎𝑠𝑖𝑢𝑛 𝑃𝑜𝑚𝑝𝑎 =𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐻𝑒𝑎𝑑 𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚

(𝑀𝐴𝑂𝐻 )............................2.19

Untuk lokasi stasiun pompa dilokasikan pada titik awal sistem pipa. Dan lokasi

stasiun berikutnya sesuai dengan keseimbangan hidrolik. Dimana setiap stasiun

memiliki diferensiasi head dan tekanan yang sama.

23

𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑠𝑖𝑎𝑠𝑖 𝐻𝑒𝑎𝑑 =𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐻𝑒𝑎𝑑 𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚

𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎 𝑕 𝑆𝑡𝑎𝑠𝑖𝑢𝑛 𝑃𝑜𝑚𝑝𝑎...................................2.20

2.11. Perlindungan Pipa

2.11.1. Jenis-Jenis Korosi

Korosi adalah proses degradasi/deteorisasi/perusakan material yang terjadi

disebabkan oleh pengaruh lingkungan di sekelilingnya. Dalam hal ini, yang dimaksud

dengan lingkungan sekitarnya dapat berupa udara dengan sinar matahari, embun, air

tawar, air laut, air danau, air sungai dan tanah yang berupa tanah pertanian, tanah rawa,

tanah kapur dan tanah pasir berbatu.[6]

Korosi pada perpipaan dapat terjadi pada permukaan dalam dan luar pipa. Pada

fluida korosif seperti H2S sangat berpotensi terjadinya korosi yang mengakibatkan

penurunan performa atau efisiensi dari pengaliran. Korosi yang terjadi pada permukaan

dalam pipa dapat ditanggulangi dengan metode pembersihan menggunakan pigs. Korosi

internal juga dapat ditanggulangi dengan memberikan inhibitor korosi pada fluida yang

ditransportasikan. Metode lainnya dengan menggunakan lining.

Korosi eksternal adalah faktor utama dalam desain dan perancangan pada

perpipaan. Ada beberapa metode untuk pencegahan korosi eksternal pada perpipaan

yaitu dengan proteksi katodik dan pelapisan (coating). Pada aplikasi perpipaan untuk

distribusi minyak, proteksi katodik sangat tidak dianjurkan karena sangat berbahaya

dalam prosesnya yang menimbulkan percikan listrik.[3]

Korosi merupakan penyebab terbesar kedua kerusakan pada pipa. Korosi

merupakan reaksi kimia atau elektrokimia dari pipa terhadap lingkungannya. Jenis-

jenis korosi adalah sebagai berikut:

1. Korosi kimiawi

Korosi ini merupakan akibat kontak dari pipa dengan substansi yang bersifat

korosif seperti asam yang bereaksi dengan permukaan pipa sehingga

menyebabkan kerusakan. Korosi ini dapat dihindari dengan pemilihan

material pipa dan fluida yang dialirkannya serta menggunakan lining atau

24

coating pada pipa untuk menghindari kontak langsung antara senyawa korosif

dengan material pipa.

2. Korosi galvanis

Korosi ini sama prinsipnya dengan sel galvanis (baterai). Korosi ini sering

terjadi pada pipa logam karena ketidakseragaman material logamnya. Korosi

galvanis tidak hanya bergantung pada beda potensial antara dua logam yang

berhubungan tetapi juga ketika elektrolit terkontak. Semakin tinggi

konduktivitas elektrolit maka semakin banyak arus yang mengalir melalui sel

galvanis dan kemungkinan besar terjadi korosinya. Maka dari itu tanah

lembab dan yang banyak mengandung garam sangat korosif terhadap pipa.

3. Korosi elektrolisis

Ketika dua logam dialiri arus listrik, maka partikel logamnya akan terbawa

melalui elektrolit sehingga menyebabkan logam tersebut terkorosi.

4. Korosi bakterial

Korosi bakterial terjadi akibat adanya bakteri atau alga tertentu yang dapat

menghasilkan substansi korosif terhadap pipa. Selama akhir siklus hidupnya,

mereka memproduksi asam yang juga dapat mengkorosi pipa.

5. Korosi celah

Korosi ini terjadi pada celah kecil antara logam akibat elektrolit yang

terperangkap dan berbeda dengan keadaan lingkungannya.[2]

2.11.2. Pencegahan Korosi

2.11.2.1. Lining dan Coating

Lining merupakan aplikasi dari coating pada bagian permukaan dalam pipa,

sedangkan coating sama merupakan perlindungan dengan pelapisan tetapi pada bagian

permukaan luar pipa. Perlindungan dengan cara ini dapat menghindari korosi dan abrasi

pada pipa. Lining dapat membuat permukaan dalam menjadi lebih halus sehingga

mengurangi kerugian gesek, dan mengurangi kerusakan pada pipa akibat kavitasi pada

beberapa kondisi. Beberapa contoh material yang digunakan untuk lining dan coating

ialah material bitumastic, semen, kaca, karet, fluorocarbon lining, thermoplastic lining,

dan sebagainya.[2]

25

Pengembangan khusus untuk pelapisan dengan plastik pada perpipaan biasanya

ialah material PVC, polyrthylene, polypropylene, dan nylon. Coating plastik biasanya

dipilih untuk katub walau pada keadaan khusus dapat dipakai karet atau kaca untuk

cairan korosif atau mudah terbakar. Untuk perpipaan hidrokarbon yang memiliki suhu

tinggi dan tahanan panas tinggi sangat dianjurkan untuk memakai polyvinyldenefloride

(PVDF) karena merupakan thermoplastic yang kuat dan liat, tahan terhadap asam dan

basa anorganik.

2.11.2.2. Perlindungan Katodik

Korosi terjadi akibat dari reaksi kimia atau reaksi ion, sehingga perlindungan

katodik merupakan metode elektrik dengan memberikan arus listrik lawan pada struktur

logam pada pipa baja baik yang di dalam tanah atau di dalam air. Dengan memberikan

perlindungan struktur logam pada pipa baja (katoda atau anoda), struktur tersebut

terlindung dari korosi.

Ada dua metoda umum perlindungan katodik. Yang pertama adalah perlindungan

katodik arus terpasang, dimana membutuhkan sumber arus DC, pada umumnya rectifier

sama dengan penggunaan charger baterai. Dengan menghubungkan terminal negatif

dari rectifier ke pipa baja untuk dilindungi dan menghubungkan terminal positif ke

tanah melalui sebuah elektroda, dan pipa menjadi katoda.

Metoda lain perlindungan katodik adalah dengan mengorbankan anoda. Elektroda

zinc dan magnesium yang dikorbankan menjadi anoda dan terkorosi. [2]

2.12. Perencanaan dan Instalasi

2.12.1. Perencanaan dan Instalasi Pipa dalam Tanah

Proses instalasi pipa dalam tanah harus sangat diperhatikan agar dapat mengurangi

gaya impak pada pipa. Ukuran pipa harus sesuai dengan ukuran galian tanpa adanya

beban luar yang menahan. Pipa ditanam antara 75 – 800 mm dalam beton dan tidak

kurang dari 300 mm di bawah jalan atau tanah. Pada Gambar 2.8 di bawah ini

diperlihatkan sistem perlindungan mekanis pipa di dalam tanah berdasarkan beban

luar.[7]

26

Gambar 2.8 Sistem penanaman pipa dalam tanah.[7]

Perusahaan pipa akan menentukan spesifikasi beban yang diperbolehkan

untuk beberapa jenis lintasan. Besarnya beban dapat diketahui dari beban

kendaraan yang melintasi jalan, klasifikasinya ialah:

1. Kelas 1, jalan provinsi yang dapat dilalui kendaraan dengan

muatan lebih dari sepuluh ton.

2. Kelas 2, jalan kota yang dapat dilalui kendaraan dengan muatan

antara delapan sampai sepuluh ton.

3. Kelas 3, jalan kecamatan atau perdesaan yang dapat dilalui

kendaraan dengan muatan kurang dari delapan ton.

27

Prosedur desain pipa dengan pelindung ketika melintasi jalan juga sudah

diterapkan beberapa tahun kebelakang seperti yang ditunjukkan pada Gambar

2.9 di bawah ini.

Gambar 2.9 Instalasi pipa melintasi jalan raya dengan perlindungan. [8]

2.12.2. Perencanaan dan Instalasi Pipa Melewati Sungai

Proses instalasi pipa dalam tanah sesuai dengan analisis perlindungan mekanis

dari gaya impak yang diterima pipa berdasarkan klasifikasinya. Instalasi pipa pada jalur

yang dirancang berdasarkan pada keadaan dimana pipa akan diletakkan. Untuk

pemasangan pipa pada jalur yang melewati air seperti sungai, danau, rawa, atau

geografis yang mengandung air memiliki suatu permasalahan tersendiri. Ada tiga

metode untuk jalur yang melwati perairan yaitu metode galian (ditching), boring, dan

menggunakan jembatan.[2]

Pada perancangan struktur jembatan pipa yang melewati perairan menggunakan

sistem truss. Truss adalah kerangka yang tersusun atas batang-batang yang

dihubungkan pada ujung-ujungnyauntuk membentuk struktur yang kaku. Bidang truss

yang digunakan pada jembatan pipa umumnya dirancang berpasangan dengan bidang

28

truss lainnya pada sisi yang lainnya dan dihubungkan keduanya dengan batang yang

menyilang dan menumpu pada lantai jembatan. Pada gambar 2.10 dibawah ini,

ditunjukkan beberapa jenis jembatan sistem truss.

Gambar 2.10 Struktur jembatan sistem truss.[9]

2.12.3. Sambungan Pipa dan Katup

Pipa dapat dihubungkan antara satu sama lain dengan beberapa cara yaitu:

1. Pengelasan adalah cara yang paling sering digunakan untuk menyambung pipa,

karena dengan metode ini lebih kuat dan tidak mudah bocor seperti dengan

metode flange dan ulir. Penyambungan dengan metode ini tidak menambah

berat pada pipa seperti pada metode flange dan harus menambah ketebalan

dinding seperti metode ulir. Pada gambar 2.11 di bawah ini akan diperlihatkan

beberapa metode pengelasan.[3]

29

Gambar 2.11 Jenis dan proses pengelasan.[2]

2. Sambungan ulir digunakan untuk menghubungkan pipa dengan pipa, atau pipa

dengan sambungan.

3. Flange ialah metode yang paling sering digunakan karena kuat dan tidak

permanen. Digunakan pada pipa baja yang terhubung dengan pompa, flowmeter,

atau sambungan. Penggunaan flange sangat efektif karena dapat dengan mudah

dipasang dan dilepaskan.[2]

Pada gambar 2.12 di bawah ini ditunjukkan beberapa jenis flange yang sering

digunakan.

30

Gambar 2.12 Jenis flange. [2]

Jenis sambungan ada yang berupa sambungan spesifik dan memiliki

beberapa bentuk dengan fungsinya masing-masing. Jenis sambungan spesifik itu

disebut fitting. Fitting ulir digunakan pada pipa berulir, fitting pengelasan

digunakan untuk pipa non-ulir. Pada Tabel 2.2 di bawah ini ditunjukkan

beberapa jenis sambungan spesifik atau fitting menurut fungsinya.

31

Tabel 2.2 Jenis dan kegunaan fitting. [2]

Fitting Type Purpose

Bushing To connect a threaded small pipe to a larger one

Cap To seal the end of a pipe

Coupling To connect two threaded pipes of the same size together

Half coupling One end threaded, and the other plain. The plain end can be

welded to, for example, a tank to form a pipe entrance

Cross To connect a pipe to three others

Elbow To change flow direction

Nipples To tap a pipe (small tap)

Plug To seal the end of a threaded pipe

Reducer To change (reduce or enlarge) pipe diameter

Saddle To tap a pipe

Sleeve To connect two pipes together

Tee To connect a 90o branch

Union To connect two threaded pipes of the same size together without

having to turn the pipes – just turn the union

Y To connect two pipes to one pipe in the shape of a Y

Katup merupakan komponen yang dibutuhkan dalam sistem perpipaan yang

berfungsi untuk memberhentikan, meneruskan, ataupun mengalihkan aliran pada pipa.

Katup juga berfungsi untuk mengontrol laju aliran dan meregulasikannya. Ketika

tekanan fluida melampaui batasnya, katup mencegah kelebihan tekanan tersebut dengan

mengintegrasikannya. Katup mencegah keadaan vacuum. Beberapa jenis katup ada

yang dioperasikan secara manual atau memiliki aktuator yang diberikan arus listrik oleh

motor bisa berupa hidrolik dan pneumatik atau kombinasi keduanya untuk

mengoperasikan katup secara otomatis. Dalam pemilihan katup yang cocok untuk suatu

perancangan perlu diperhatikan aplikasi dari desain tersebut dan harus dievaluasi

karakteristik dari katup, fitur desain, material kontruksi, dan performansi.[3]

Ada beberapa jenis katup yang digunakan sesuai dengan kebutuhan dan pada

keadaan tertentu antara lain:

1. Katup pintu (Gate Valve)

Katup ini berupa pintu sorong yang terbuka dan tertutup dengan mengatur

pembukanya yang terpasang pada katup. Kerugian gesek yang diakibatkan

pada katup ini pada saat terbuka penuh sangat kecil. Katup ini biasa digunakan

pada sistem perpipaan minyak dan gas.

32

2. Globe Valve

Dari luar katup ini berbentuk melingkar. Merubah arah aliran yang melewati

katup ini. Kerugian gesek yang diakibatkan pada katup ini sangat besar

walaupun pada keadaan sepenuhnya terbuka. Katup jenis ini memberikan

pengaturan aliran yang lebih baik dari katup pintu dan baik digunakan pada

aplikasi throttle.

3. Angle Valve

Sama seperti globe valve, hanya arah yang dirubah hanya untuk sudut 900.

4. Katup bola (Ball Valve)

Katup berupa bola berlubang yang dapat dengan baik menghentikan laju airan

dengan baik. Ketika terbuka penuh hanya menyebabkan kerugian gesek yang

kecil.

5. Plug Valve

Katup jenis ini dapat terbuka dan tertutup dengan hanya mendorong dan

memutar katup. Katup ini dilengkapi dengan pegas penekan penutup aliran.

6. Butterfly Valve

Katup ini berfungsi untuk memperkecil laju aliran. Katup ini merupakan yang

paling ekonomis untuk pada sistem perpipaan yang besar. Katup harus ditutup

secara perlahan atau akan menyebabkan kerusakan.

7. Katup diafragma (Diaphragm Valve)

Diafragmanya memisahkan katup dengan fluida. Katup dapat digunakan untuk

fluida yang korosif dan berpartikel besar.

8. Pinch Valve

Katup ini digunakan untuk mengatur laju aliran dan cocok pada ukuran tabung

yang kecil.

9. Check Valve

Pada katup ini aliran tidak dapat berbalik. Katup ini menghasilkan aliran

searah.

10. Foot Valve

Katup ini digunakan untuk menjaga agar pompa tidak kehhilangan alirannya

ketika berhenti.[4]

33

2.13. Instalasi Pompa

Ruang pompa harus direncanakan dengan memperhatikan jalan untuk masuk

mesin, tempat, dan ruangan untuk membongkar dan memasang pompa, jalan untuk

pemeliharaan dan pemeriksaan, papan tombol, pipa-pipa, penopang pipa, saluran

pembuang air, drainase ruangan, ventilasi, penerangan, keran pengangkat, dan lain-lain.

Pompa cadangan harus diperhitungkan ketika jam operasi pompa secara kontinyu.

Beberapa pompa harus diperhitungkan jarak antar pompanya. Jarak yang terlalu besar

kurang ekonomis, tetapi jarak yang terlalu dekat dapat menimbulkan pusaran pada tadah

isap sehingga akan mengakibatkan performansi pompa yang buruk atau menyulitkan

pada waktu operasi dan pemeliharaan. Karena itu sebagai pedoman dapat diambil jarak

minimum 1,0 m dan biasanya lebih dari 1,5 m sebagai ruang bebas di sekeliling pompa.

Berikut adalah beberapa hal yang harus diperhatikan pada instalasi pompa antara

lain:

1. Tata letak pompa

2. Perpipaan

3. Tadah isap dan tadah keluar. [5]